某型高原航空電源車動(dòng)力集成研究

朱逸天，趙徐成，凌 軍

（1．徐州空軍學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.沈空裝備部航材處，遼寧 沈陽 110000）

航空地面電源保障為各型飛機(jī)提供地面檢查與啟動(dòng)電源[1]，是影響和制約航空兵反應(yīng)速度與作戰(zhàn)效能的重要環(huán)節(jié)，電源車在高原環(huán)境下的保障性能直接關(guān)系到航空兵作戰(zhàn)力量的展開與協(xié)同。由于高原環(huán)境的低壓、少氧等環(huán)境因素對(duì)電源車性能影響較大，我軍主力航空電源車不能完全適應(yīng)西藏高海拔地區(qū)，主要存在兩點(diǎn)問題：一是裝備越野機(jī)動(dòng)性能；二是功率下降保障性低。

在航空電源車上應(yīng)用動(dòng)力集成技術(shù)，不僅可以降低上裝特設(shè)部分重量，提高機(jī)動(dòng)越野性能，還可以實(shí)現(xiàn)電源車保障功率裕度的提升，滿足高原多機(jī)種電源保障任務(wù)需求。在高原型航空電源車的研制中應(yīng)用動(dòng)力集成設(shè)計(jì)理念將具有顯著的軍事與經(jīng)濟(jì)效益。

1 動(dòng)力集成技術(shù)

1.1 高原環(huán)境動(dòng)力集成設(shè)計(jì)需求

對(duì)于我軍現(xiàn)役電源車，在機(jī)動(dòng)過程中，高原較差的路況與底盤較差的穩(wěn)定性造成的顛簸，形成了較為惡劣的上裝各功能系統(tǒng)運(yùn)輸環(huán)境。同時(shí)，上裝部分較大的重量與高原環(huán)境低壓少氧等因素共同作用，使裝備底盤在行駛的過程中不堪重負(fù)。

高原環(huán)境因素放大了非集成裝備獨(dú)立設(shè)計(jì)的上裝與底盤兩個(gè)部分的相互干涉作用，大大降低了各分系統(tǒng)可靠性，明顯增加了裝備整體損壞風(fēng)險(xiǎn)[2]。且高原地區(qū)裝備維修資源少、技術(shù)力量薄弱，現(xiàn)役電源車難以滿足高原環(huán)境下現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)其技戰(zhàn)術(shù)性能的基本要求。非集成的動(dòng)力模式導(dǎo)致了現(xiàn)役電源車高原環(huán)境適應(yīng)性差的高原環(huán)境應(yīng)力結(jié)果，如圖1所示。

圖1 非集成裝備高原環(huán)境應(yīng)力適應(yīng)性結(jié)果特征圖

1.2 動(dòng)力集成技術(shù)研究

動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)是研究動(dòng)力系統(tǒng)或動(dòng)力源設(shè)備集成化的技術(shù)[3]。系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)力集成技術(shù)是指充分利用系統(tǒng)動(dòng)力功率儲(chǔ)備空間，采用動(dòng)力整合、動(dòng)力轉(zhuǎn)換、動(dòng)力分流等方式在滿足多任務(wù)需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力集成化的系統(tǒng)動(dòng)力布置設(shè)計(jì)思路，其原理如圖2所示。

圖2 集成動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

相比于傳統(tǒng)非集成動(dòng)力系統(tǒng)（如圖3所示）每種功能只能得到與其對(duì)應(yīng)的動(dòng)力子模塊動(dòng)力支持的僵化模式，在電源車上應(yīng)用動(dòng)力集成設(shè)計(jì)具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）將裝備各分動(dòng)力系統(tǒng)整合集成為一個(gè)高效動(dòng)力源，通過動(dòng)力分配及傳輸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與功率輸送作用使裝備多種功能共用高品質(zhì)動(dòng)力系統(tǒng)，將有效提升電源車保障性能；

（2）動(dòng)力源的集中減少了動(dòng)力系統(tǒng)的分散程度，將提高裝備可靠性、可維修性，降低裝備維護(hù)量、削減裝備制造成本；

（3）動(dòng)力系統(tǒng)的集成將大大降低裝備重量，有效提高裝備越野機(jī)動(dòng)性能。

圖3 傳統(tǒng)非集成動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

1.3 電源車動(dòng)力集成方案

基于動(dòng)力集成設(shè)計(jì)思想，電源車動(dòng)力集成化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵主要是，在使用單個(gè)動(dòng)力源的情況下實(shí)現(xiàn)電源車“機(jī)動(dòng)”與“駐車發(fā)電”兩種主要的獨(dú)立功能，具體就是采用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的兩臺(tái)柴油機(jī)為裝備底盤行駛與發(fā)電機(jī)發(fā)電分別提供動(dòng)力。

高原環(huán)境對(duì)電源車主要分系統(tǒng)性能影響最大的是功率有關(guān)的動(dòng)力系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)，在改進(jìn)電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，一個(gè)高效、可靠的大功率動(dòng)力源是提升電源車高原環(huán)境適應(yīng)性所必需的。因此，集成化的高原電源車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要有以下兩種：

（1）大功率動(dòng)力源主要供發(fā)電機(jī)使用，動(dòng)力分流實(shí)現(xiàn)底盤機(jī)動(dòng)

采用大功率柴油機(jī)為發(fā)電機(jī)供電，通過動(dòng)力分流或者動(dòng)力串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)裝備的機(jī)動(dòng)功能，這種方案的柴油機(jī)動(dòng)力供給主體為發(fā)電機(jī)。其有以下優(yōu)點(diǎn)：利用簡(jiǎn)單的傳動(dòng)裝置即可將柴油機(jī)功率高效、可靠的傳遞到發(fā)電機(jī)，大幅提高電源車電源輸出質(zhì)量。但是，這種技術(shù)方案需要研發(fā)新的底盤。由于汽車工程技術(shù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，且會(huì)降低整車可靠性，因此不選用該方案。

（2）采用大功率底盤，取力實(shí)現(xiàn)駐車發(fā)電

以高性能、大功率的成熟越野汽車底盤為平臺(tái)，通過汽車分動(dòng)箱取力的方式將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，這種方案的動(dòng)力供給主體是在底盤與發(fā)電機(jī)之間自由切換。

在技術(shù)上，相對(duì)于研制新底盤，這種動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案只需在底盤上增加一臺(tái)發(fā)電機(jī)及配套的動(dòng)力傳輸與調(diào)制系統(tǒng)，配合研制新型動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，即可高效、可靠實(shí)現(xiàn)發(fā)電，對(duì)原有底盤的機(jī)動(dòng)越野能力影響不大。降低技術(shù)難度的同時(shí)，保證了裝備的可靠性，將使高原電源車具有較高的綜合性能。因此，選用該方案。

2 實(shí)現(xiàn)動(dòng)力集成的動(dòng)力傳輸關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上兩種動(dòng)力集成設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力集成設(shè)計(jì)，必須要有配套的動(dòng)力傳輸系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)電源車發(fā)電功能的能量傳輸紐帶。

2.1 動(dòng)力傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

高原航空電源車的動(dòng)力集成設(shè)計(jì)框架為：選用EQ2102GAJ高性能越野汽車底盤作為航空地面電源的機(jī)動(dòng)載體，在不影響整車越野性能的前提下，分動(dòng)器直軸取力輸出端按照原速度輸出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)以2000 r/min的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

動(dòng)力傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力銜接與變速傳動(dòng)兩個(gè)功能。高原航空電源車動(dòng)力分配與傳輸原理如圖4所示。

2.2 傳動(dòng)方案選擇

本課題根據(jù)傳動(dòng)設(shè)計(jì)框架與指標(biāo)要求提出了萬向軸與同步帶傳動(dòng)方案，現(xiàn)對(duì)兩種傳動(dòng)方式作對(duì)比分析。

萬向軸傳動(dòng)方案技術(shù)原理如圖5所示。通過一對(duì)萬向聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)分動(dòng)器與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力銜接。由于越野型底盤構(gòu)造特殊，為保證底盤越野性能不被削弱與破壞，發(fā)電機(jī)安裝軸間折角只能降到14°。采用聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)，在此傳動(dòng)距離下的軸間折角最大極限為14°，接近設(shè)計(jì)極限，且會(huì)造成聯(lián)軸器中間軸過長(zhǎng)、過重；由于萬向聯(lián)軸器中間軸傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)角速度的不均勻性，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將引起構(gòu)件之間的大應(yīng)力沖擊；可靠性與安全性差。因此不予選用。

圖5 萬向軸傳動(dòng)方案技術(shù)原理圖

本課題通過建模與仿真分析研究驗(yàn)證了同步帶傳動(dòng)方案的可行性，如圖6所示。分動(dòng)器的分動(dòng)軸采用直軸傳動(dòng)設(shè)計(jì)，剛性連接同步帶主動(dòng)軸與主動(dòng)輪，通過同步帶以一定轉(zhuǎn)速比帶動(dòng)從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力變速輸送給發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 同步帶傳動(dòng)模型圖

在高原航空電源車上安裝的發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)取力輸出端的平行軸間距為520mm.因此，在設(shè)計(jì)中采用設(shè)計(jì)初定中心距，可以將分動(dòng)器動(dòng)力輸出點(diǎn)抬高到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸近似對(duì)中。由于同步帶中心距采用可調(diào)式設(shè)計(jì)以方便同步帶的安裝與張緊，在這種情況下，很難做到同步帶從動(dòng)軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的精密對(duì)中。為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)可靠的定轉(zhuǎn)速輸出，應(yīng)用萬向軸傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)同步帶動(dòng)力傳輸系統(tǒng)從動(dòng)輪與發(fā)電機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力銜接。

3 結(jié)束語

本課題開發(fā)的新型同步帶動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軸動(dòng)力平移，解決了復(fù)雜傳動(dòng)空間限制的大折角、遠(yuǎn)距離、高轉(zhuǎn)速的變速傳動(dòng)難題；在大功率高原航空電源車上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力集成，解決了電源車在高原保障存在的越野性差、輸出功率低的問題。研究?jī)?nèi)容具有較高的理論與實(shí)踐價(jià)值。

[1]趙徐成，蔣 超.航空地面電源[M].徐州:徐州空軍學(xué)院，2010.

[2]王光福.高原寒區(qū)對(duì)工程機(jī)械性能的技術(shù)研究與應(yīng)用[J].環(huán)境技術(shù)，2013，（10）:26-29.

[3]馬偉明.電力集成技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（1）:16-20.